用于认知无线电的自适应可重构天线研究

陈国虎 曹 凯 江 桦 张 刚

（解放军信息工程大学信息系统工程学院，河南 郑州450002）

引 言

目前天线已经成为各种个人电子设备、微波和卫星通信系统、雷达系统、军事监视和侦察平台领域的关键模块.在这些系统中，特别是在认知无线电系统中，需要构建一种涵盖各种频段、多重带宽环境的多功能平台［1］.

可重构天线通过控制一组光电二极管（Positive-Intrinsic-Negative，PIN）或者微机电系统开关（Micro Electromechanical System，MEMS）或高频继电器的状态，动态改变天线辐射体的物理结构，使天线具有不同工作频段、不同波束、不同极化等多种功能，是一类新的自适应天线［2-6］.可重构天线的上述特性可以使其广泛应用于认知无线电、多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、智能天线等系统中［7-11］.在文献［7］中，设计了一种新的可重构天线，该天线由两部分组成，超宽带天线（3.1～11GHz）用于频谱感知，频率可重构的三角形贴片天线用于和其它设备通信，天线的可重构特性通过旋转实现；文献［8］提出了圆极化天线轴比自适应重构的设计理念，通过微波开关技术分别修正两个正交线极化幅度来实现轴比的调整，再配合方向图的重构调整，在移动终端可以实现针对空域相关性的自适应调整，在不同环境中始终保持较低的空域相关性和较高的信道容量；文献［9］研究了用于认知无线电的频率可重构八木天线，工作频率在478～741MHz，通过频率可重构，可以实现选频的功能和空间滤波的效果，有效抑制干扰；文献［10］设计了一种新的小型频率可重构天线，能够工作在超宽带模式和窄带模式，天线尺寸50mm×55 mm.文献［11］提出了一种能应用于无线通信系统的新型介质支撑开关寄生阵列天线，基于八木天线原理，天线可以实现频率及方向图的复合可重构.综上所述，目前，可重构天线的研究主要集中在频率、方向图、极化方式重构等方面，在天线仿真分析时，可重构天线采用的开关数较少，天线可能的配置数对设计者来说是已知的.当可重构天线采用的开关数增加时，天线可能的配置随开关个数以2的幂次递增，可重构天线存在大量的电磁结构状态，采用全波仿真分析方法，将是一个很长的过程，效率较低.另外，可重构天线包含了天线本身、射频开关、开关控制系统等方面的内容，而绝大部分的研究仅限于开关和天线本身，很少有对可重构天线系统进行整体性研究的例子.

针对开关数较多的可重构天线仿真分析问题，论文提出一种基于全波／网络混合的可重构天线仿真方法，该方法将可重构天线看作多载天线，采用全波仿真法分析无加载的天线阵列，采用网络分析法并结合遗传算法分析任意加载可重构天线的网络特性和辐射方向图，该方法大大降低了天线仿真计算量，提高了仿真效率；利用该方法，对一种矩形环形可重构天线的频率和方向图可重构能力进行了仿真分析.

1 可重构天线的仿真分析

1.1 全波／网络混合分析法

哈林登在其经典著作《计算电磁场的矩量法》［12］中引入多端口网络理论，将所有加载和激励源统一看作与天线连接的多端口网络，而天线本身也被等效为另一多端口网络.可重构天线的开关结构在天线分析时，可以用阻抗元件代之，整个天线可以看作多载天线系统.

依据上述思想，提出一种有效的可重构天线仿真方法，该方法采用全波仿真法分析无加载的天线阵列，采用网络分析法分析任意加载的可重构天线网络特性和辐射方向图.图1表示可重构天线等效为多端口网络，端口1表示馈电端口，其它端口接可重构单元（Reconfigurable Element，RE）.天线的完整特性可以通过运行N次全波仿真得到，第k次仿真时，第k个端口是激励源，其它端口接适当的负载.通过记录第k次仿真时的电压矢量vk和电流矢量ik以及仿真得到的远场电场Ek（θ，φ），任意加载的可重构天线的输入阻抗和辐射方向图都可以高效地计算得到.

图1 可重构天线等效为多端口网络

当1端口馈电，其它端口连接可重构单元时，用网络分析法计算天线的输入阻抗和辐射方向图.如图1所示，可以得到i＝Yv，也可以写成

式中：i1和v1是标量电流和电压；i2和v2是其它端口端接可重构单元时的电流和电压向量；Y22是分块矩阵.第k＋1端口端接导纳yL，k，k＝1，…，N-1，可得i2＝-YLv2，YL是对角阵，YL，kk＝yL，k.由式（1）可得

并且

yin是其他端口端接可重构单元时的输入导纳，当馈电电压是v1时，实际的辐射方向图可以表示为

电压vk可以用式（2）求出.

1.2 遗传算法

虽然在可重构天线仿真分析时采用了混合仿真方法，提高了仿真效率，但当可重构单元数较大且每个可重构单元有多个状态时，仿真分析的计算量还是很大的.可重构天线通过天线结构中开关的通断实现多重功能的重构，每一个开关的通断都表示一种可能的天线配置，每种开关的状态只能是“闭合”或者“断开”，它是一非数值型的量.为了寻找天线所需性能的最优，需要一种非线性的全局寻优算法.

在天线仿真分析时，采用遗传算法（Genetic Algorithm，GA），将每一个开关用染色体的一个基因位来表示，当开关闭合时用1表示，开关断开时用0表示.适应度函数是GA优化过程中选择算子等遗传操作的依据，适应度函数的值用以判断个体的优良程度.

为了详细描述天线匹配特性，将电压驻波比的倒数取为适应度函数值，天线匹配越理想其适应度值越接近于1.所选择的适应度函数如下

式中，RVSW是天线端口的电压驻波比.

为了在目标方向上获得良好的增益特性，并且考虑天线的匹配程度，可以设定目标方向增益G的适应度函数，增益G的适应度函数为

式中：G（θ0，φ0）是设定方向（θ0，φ0）上天线的增益；S11是天线馈电端口的散射参数.

2 自适应可重构天线

自适应可重构天线［2］的系统框图如图2所示.其工作机制是：控制器发出控制信号改变可重构天线开关的状态，天线物理结构发生改变，引起辐射特性的变化；对接收天线，接收到期望信号时通过接收机反馈至控制器，控制器根据信号特征，通过优化算法得到最优开关状态组合，从而最终确定接收该信号的天线结构；而对于发射天线，发射机在发送前，根据发射要求通过优化算法确定开关状态的最优组合.在发射或接收过程中，如果外界环境发生变化或者接收要求发生变化，这种闭环结构的天线系统能够通过上述机制自动将天线调整到最佳状态，天线具有较好的自适应能力.

图2 自适应可重构天线系统框图

针对可重构天线在认知无线电中的应用，本文设计了一种平面结构的可重构天线结构模板，如图3（a）所示.天线结构由若干导线和开关组成矩形环结构，黑色小方块表示开关，加载在三个导线段节点处.天线尺寸0.56m×0.41m，开关数28个，共含有的天线数已经过亿，为268 435 456种.设计出的可重构天线结构上具有周期性，图3（b）示出了矩形环形可重构天线结构上的周期性，图中导线段连接处的黑色小矩形为开关.天线结构采用非对称结构，保证了天线重构资源的丰富性.从天线的结构可以看出，通过外部控制电路控制开关的通断就可以得到不同工作频率和辐射方向的天线辐射结构.

图3 矩形环形可重构天线的结构

3 仿真结果分析

采用全波仿真分析和网络分析相结合的混合方法，对图3（a）中所示的矩形环形可重构天线进行仿真分析.开关采用理想开关模型，开关间隙0.005 m，当开关导通时，用一金属线段直接连接代替，当开关断开时，则去掉该金属线段.全波仿真分析采用FEKO Suite5.5，天线仿真频率范围为100～1 000 MHz.遗传算法种群规模40，遗传代数100，交叉率0.8，变异率0.05，分别以天线的驻波比和增益为优化目标，通过对大量天线的搜索，最终获得的是天线所需性能参数的最优曲线.图4给出了利用遗传算法进行搜索的性能曲线，算法在对各频点所能获得的最小驻波和400MHz情况下水平面和垂直面各方向上最大增益进行搜索时均表现出良好的搜索性能，频率为400MHz时，水平面大部分方向上增益都达到4dBi以上.图5给出了矩形环形可重构天线最优驻波曲线.可以看出，矩形环形可重构天线在比较宽的频率范围内表现出良好的驻波特性.

表1列出了100、500、1 000MHz这3个频点上优化得到的天线的开关组合状态.为了验证全波／网络混合分析法的正确性，表1还给出了用商用电磁仿真软件FEKO Suite5.5分析得到的天线驻波比，显然，这两种方法计算得到的驻波比结果比较接近.图6是水平面120°方向上水平增益最优的情况下通过遗传算法的搜索所获得的天线方向图，并和商业电磁仿真软件FEKO Suite5.5仿真的结果进了对比，结果基本一致，证明了论文所提方法的正确性.

表1 优化结果对比

图4 遗传算法的搜索性能曲线

图5 矩形环形可重构天线驻波最优曲线

图6 天线水平面方向图对比（开关状态：0101000011100100110000110001，频率400MHz）

如果采用商业电磁仿真软件结合遗传算法进行仿真分析，在寻优过程中，每个个体需要进行一次天线全波仿真，每条曲线的获得均需要对多个频点进行遗传算法的搜索，而每一个点的搜索又涉及上千种天线的计算，本次计算大致情形是：遗传算法种群规模为40，遗传终止迭代次数固定为100；对于搜索出的最小驻波曲线，计算的频点数为10，总共经过计算的天线数为4万种，为得到一种曲线所花费的时间是不可接受的.采用全波／网络混合法，如果天线结构中含有N只开关，则只需要调用N次全波仿真，寻优过程中只进行叠加运算，大大降低了天线仿真计算量，提高了仿真效率.实际中，一般射频开关器件导通和截止状态并不能简单地按理想的短路和开路来处理.如果开关器件的等效参数已知，可以将其视为加载元件，仿真方法不变.

4 结 论

可重构天线的形状各异，表现出不同的可重构形态.它们有可重构的工作频率、可重构的方向图、可重构的极化方式和这几种参数的不同组合的可重构.矩形环形可重构天线具有频率可重构和方向可重构的功能，该特性可以使其应用于未来的认知无线电、智能天线等系统中.下一步的工作重点是研究不同拓扑结构可重构天线的可重构能力、小型化以及如何实现实时可重构.

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